GaN HEMT器件主要性能测试指标有哪些？如何测试？

        5G、6G、卫星通信、微波雷达将带来半导体材料革命性的变化，随着通讯频段向高频迁移，基站和通信设备需要支持高频性能的射频器件。与Si基半导体相比，作为第三代半导体的代表，GaN具有更高电子迁移率、饱和电子速度和击穿电场的优势将逐步凸显。正是这一优势，以GaN为代表的第三代半导体材料和器件因优良的高温高压及高频特性，被认为是电力电子和微波射频技术的核心。

        随着GaN技术的日趋成熟，国外开始将GaN功率器件向太空应用扩展，充分发挥宽禁带半导体材料为基础的GaN器件的固有优势，制成重量更轻、功能更强大的太空应用的电子设备。根据Yole Development 的调研数据显示，2020年全球GaN功率市场规模约为4600万美元，预计2026年可达11亿美元，2020-2026年CAGR有望达到70%。从国内看，GaN是目前能同时实现高频、高效、大功率的代表性器件，是支撑“新基建”建设的关键核心部件，有助于“双碳”目标实现，推动绿色低碳发展，在5G基站、新能源充电桩等新基建代表中均有所应用。随着国家政策的推动和市场的需求，GaN器件在“快充”场景Y领下，有望随中国经济的复苏和消费电子巨大的存量市场而不断破圈。未来，随着新基建、新能源、新消费等领域的持续推进，GaN器件在国内市场的应用必将呈现快速增长的态势。

图：不同材料半导体器件的应用

图：不同种类半导体材料特性对比

        典型的GaN HEMT器件结构如下图所示，从上往下依次分别为：栅极、源极、漏J端子、介电层、势垒层、缓冲层、以及衬底，并在AlGaN / GaN的接触面形成异质结结构。由于AlGaN材料具有比GaN材料更宽的带隙，在到达平衡时，异质结界面交界处能带发生弯曲，造成导带和价带的不连续，并形成一个三角形的势阱。大量的电子积聚在三角形势阱中，难以逾越至势阱外，电子的横向运动被限制在这个界面的薄层中，这个薄层被称之为二维电子气(2DEG)。

        当在器件的漏、源两端施加电压VDS，沟道内产生横向电场。在横向电场作用下，二维电子气沿异质结界面进行传输，形成输出电流IDS。将栅极与AlGaN势垒层进行肖特基接触，通过施加不同大小的栅极电压VGS，来控制AlGaN/GaN异质结中势阱的深度，改变沟道中二维电子气密度，从而控制沟道内的漏极输出电流开启与关断。二维电子气在漏、源极施加电压时可以有效地传导电子，具有很高的电子迁移率和导电性，这是GaN器件能够具有优越性能的基础。

图：氮化镓器件结构

图：氮化镓射频器件外观(来源：qorvo)

        在射频功放系统中，功率开关器件往往需要耐受长时间高压应力，对于GaN HEMT而言其优异的耐高压能力和极快的开关速度可以将同等电压级别的电源系统推向更高的频率。但是在高压应用下一个严重限制GaN HEMT性能的问题就是电流崩塌现象(Current Collapse)。电流崩塌又称作动态导通电阻退化，即器件直流测试时，受到强电场的反复冲击后，饱和电流与最大跨导都呈现下降，阈值电压和导通电阻出现上升的实验现象。此时，需采用脉冲测试的方式，以获取器件在脉冲工作模式下的真实运行状态。科研层面，也在验证脉宽对电流输出能力的影响，脉宽测试范围覆盖0.5μs~5ms级别，10%占空比。

（图片来源：《AlGaN/GaN HEMT器件电学特性与可靠性研究》.何江）

        另外，由于GaN HEMT器件高功率密度和比较大的击穿电场的特性，使得该器件可以在大电流大电场下工作。GaN HEMT工作时，本身会产生一定的功率耗散，而这部分功率耗散将会在器件内部出现“自热效应”。在器件的I-V测试中，随着Vds的不断增大，器件漏源电流Ids也随之上升，而当器件达到饱和区时Ids呈现饱和状态，随着Vds的增大而不再增加。此时，随着Vds的继续上升，器件出现严重的自热效应，导致饱和电流随着Vds的上升反而出现下降的情况，在严重的情况下不仅会使器件性能出现大幅度的下降，还可能导致器件栅极金属损坏、器件失效等一系列不可逆的问题，必须采用脉冲测试。

（图片来源：《高速电子迁移率晶体管器件电流坍塌效应与界面热阻和温度的研究》.顾江、王强、鲁宏）

        GaN HEMT器件性能的评估，一般包含静态参数测试（I-V测试）、频率特性（小信号S参数测试）、功率特性（Load-Pull测试）。静态参数，也被称作直流参数，是用来评估半导体器件性能的基础测试，也是器件使用的重要依据。以阈值电压Vgs（th）为例，其值的大小对研发人员设计器件的驱动电路具有重要的指导意义。

        静态测试方法，一般是在器件对应的端子上加载电压或者电流，并测试其对应参数。与Si基器件不同的是，GaN器件的栅极阈值电压较低，甚至要加载负压。常见的静态测试参数有：阈值电压、击穿电压、漏电流、导通电阻、跨导、电流坍塌效应测试等。

图：GaN 输出特性曲线(来源：Gan systems)

图：GaN导通电阻曲线(来源：Gan systems)

        SMU，即源测量单元，是一种用于半导体材料，以及器件测试高性能仪表。与传统的万用表，以及电流源相比，SMU集电压源、电流源、电压表、电流表以及电子负载等多种功能于一体。此外，SMU还具有多量程，四象限，二线制/四线制测试等多种特性。一直以来，SMU在半导体测试行业研发设计，生产流程得到了广泛应用。同样，对于氮化镓的测试，高性能SMU产品也是不可少的工具。

可少的工具。